EP1261894B1 - Messdatenerfassung auf koordinatenmess- und digitalisiermaschinen - Google Patents

Messdatenerfassung auf koordinatenmess- und digitalisiermaschinen Download PDF

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EP1261894B1
EP1261894B1 EP00988550.0A EP00988550A EP1261894B1 EP 1261894 B1 EP1261894 B1 EP 1261894B1 EP 00988550 A EP00988550 A EP 00988550A EP 1261894 B1 EP1261894 B1 EP 1261894B1
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EP
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measuring
trigger signal
measurement
sensor
measurement result
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Rolf Beck
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Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
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Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/20—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring workpiece characteristics, e.g. contour, dimension, hardness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/045—Correction of measurements
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37193—Multicoordinate measuring system, machine, cmm
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37526—Determine time or position to take a measurement
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37532—Synchronized data acquisition

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring geometrical properties of workpieces on coordinate measuring machines or digitizing machines by means of measuring devices which provide measurement information about geometrical properties of the workpiece relative to the measuring device, often abbreviated as measuring sensors.
  • the abbreviation KMG is used both for coordinate measuring machines and digitizing machines.
  • CMMs are predominantly used today. These are usually equipped with a switching button that generates an electrical signal when touching the surface. With this signal, the positions of the individual linear or rotary axes of the CMM are frozen, ie the axis positions are copied to an output register.
  • This information is used with known kinematics of the CMM including the button to generate a measuring point in a fixed coordinate system. In the generation of a measurement point, more extensive error compensation, such as probe ball radius correction, geometric or thermal machine position error correction, is sometimes performed.
  • the basis for the error correction and partly also for the determination of the kinematics is usually a calibration process.
  • the relative position of the measuring points in the stationary coordinate system relative to one another is a measure of the relative position of the contact points on the workpiece surface.
  • geometric sizes can be determined on the workpiece.
  • measuring sensors are preferably used to detect free-form surfaces instead of switching probes. Both touching and non-contact sensors are used. These sensors determine the position of the measuring point on the workpiece relative to its recording, d. H. in a sensor-strong coordinate system, hereafter referred to as rst coordinate system.
  • rst coordinate system a sensor-strong coordinate system
  • the sensor information in the rst coordinate system must be linked with the information on the position of the sensor in the stationary coordinate system in a time-synchronized manner. This is done according to currently known methods by detecting the result of the measurement of the sensor in the rst coordinate system with the result of the sensor position determination by the CMM in the stationary coordinate system in a mostly digital signal processing unit as simultaneously as possible and then from these two pieces of information a measuring point in the stationary Coordinate system is calculated.
  • the times for the acquisition, processing and transmission of the sensor and CMM must be the same, so that the time-synchronous combination of the results also corresponds to a same measurement time. Otherwise, the information from the sensor would be linked to a position of the sensor that he did not have at the time of obtaining the information and, with the exception of a few special cases, would lead to an incorrect calculation of the measurement points.
  • the US patent US 4,882,848 shows a measuring sensor in the form of a measuring probe, which can be operated both as a measuring probe, as well as how a switching probe can be operated.
  • trigger signals are regularly provided, which lead to a reading of the current scales of the coordinate measuring machine, which represent the probe position, as well as lead to a reading of the current scales in the probe that the Represent the stylus position of the stylus relative to the probe. Measured values are then determined from the respective probe positions and stylus positions.
  • All CMMs designed to operate with a toggle button allow this feature by treating the trigger signal as a signal from a toggle button.
  • the usable sensors must also identify a possibility for synchronization. This can be both a trigger input for the exact determination of the measurement time as well as an output signal (SYNC) indicating the exact measurement time.
  • SYNC output signal
  • a measurement data acquisition system must contain a trigger source, in the second case, the sensor itself would act as a trigger source.
  • the signal processing unit of known methods ensures that exactly one measurement result from the sensor and CMM per trigger is further processed.
  • nth result after initialization of the CMM and the nth result after initialization from the sensor are certainly from the same time as they were triggered by the same trigger.
  • our object of the invention is to propose a method for the determination of measuring points of the type mentioned in the beginning, in which the identification of which result belongs to the nth trigger is made safer, and in which, in particular, possibly occurring signal transmission errors can be detected.
  • Task is also to propose a corresponding unit of measurement.
  • the object is achieved by a method having the features of the independent claim 1, as well as by a measuring unit according to the independent claim 5.
  • both sensors and CMM in a preferred variant of the method according to the invention in addition to their other information a TAN-NR. (Transaction identifier), which is increased with each trigger and is reset when a maximum number is exceeded.
  • TAN-NR Transaction identifier
  • non-contact sensors are significantly more dynamic than the CMM
  • different measured data rates of sensor and CMM are useful and possible with the method according to the invention, preferably when the ratio of the measured data rates is an integer.
  • the results of the CMM are interpolated according to known methods, so that after the interpolation the same amount of information from the
  • At least the sensor but possibly also the CMM, has a FIFO output memory which ensures that even under non-real-time operating systems (such as Windows NT) a complete and one-to-one transmission of each individual information per trigger is ensured.
  • non-real-time operating systems such as Windows NT
  • the FIFO output memory in particular in combination with the TAN-NR.
  • it allows very interference-free operation in comparison with today's solutions, and on the other hand it allows the information from the sensor or CMM to be transmitted separately for each trigger in selectable block sizes for several triggers, which significantly reduces the load on the signal processing unit due to the data transmission.
  • the method according to the invention therefore allows a significant increase in the measured data rate while at the same time increasing the interference immunity and reducing the load on the signal processing unit without significant increase in the cost of conventional CMMs today.

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  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung geometrischer Eigenschaften von Werkstücken auf Koordinatenmeßmaschinen oder Digitalisiermaschinen mittels Meßgeräten, die eine Meßinformation über geometrische Eigenschaften des Werkstücks relativ zu dem Meßgerät liefern, abgekürzt oftmals als messende Sensoren bezeichnet.
    • Vorbemerkung:
  • Im Weiteren wird sowohl für Koordinatenmeßmaschinen als auch Digitalisiermaschinen die Abkürzung KMG verwendet.
    • Stand der Technik
  • Zur Erfassung 3-dimensionaler geometrischen Größen werden heute überwiegend KMG eingesetzt. Diese sind meist mit einem schaltenden Taster ausgestattet, der bei Berührung der Oberfläche ein elektrisches Signal generiert. Mit diesem Signal wird die Positionen der einzelnen linearen oder rotatorischen Achsen des KMG eingefroren, d.h. die Achspositionen in ein Ausgaberegister kopiert. Diese Information wird bei bekannter Kinematik des KMG inkl. des Tasters dazu verwendet, einen Meßpunkt in einem ortsfesten Koordinatensystem zu generieren. Bei der Erzeugung eines Meßpunktes werden teilweise weitergehende Fehlerkompensationen, wie z.B. Tastkugelradius-Korrektur, geometrische oder thermische Maschinenpositionsfehler-Korrektur, durchgeführt. Die Grundlage für die Fehlerkorrektur und z.T. auch für die Bestimmung der Kinematik ist meist ein Kalibrierprozeß.
  • Werden mehrere Punkte nacheinander in demselben ortsfesten Koordinatensystem gemessen, ist die relative Position der Meßpunkte im ortsfesten Koordinatensystem zueinander ein Maß für die relative Position der Berührpunkte auf der Werkstückoberfläche. Somit können an dem Werkstück geometrische Größen bestimmt werden.
  • In zunehmendem Maße werden bevorzugt zur Erfassung von Freiformflächen statt schaltenden Tastern messende Sensoren eingesetzt. Sowohl berührende als auch berührungslose Sensoren werden verwendet. Diese Sensoren bestimmen die Lage des Meßpunktes auf dem Werkstück relativ zu ihrer Aufnahme, d. h. in einem sensorfesten Koordinatensystem, im Weiteren rst-Koordinatensystem genannt. Eine Folge von Meßpunkten wird dabei in der Regel während der Bewegung des KMG erfaßt, man spricht von "scannendem" Betrieb.
  • Zur Berechnung eines Meßpunktes in einem ortsfesten Koordinatensystem muß zeitsynchron die Sensor-Information im rst-Koordinatensystem mit der Information zur Position des Sensors im ortsfesten Koordinatensystem verknüpft werden. Dies geschieht nach derzeit bekannten Verfahren, indem das Ergebnis der Messung des Sensors im rst-Koordinatensystem mit dem Ergebnis der Sensorpositionsbestimmung durch das KMG im ortsfesten Koordinatensystem in einer meist digitalen Signalverarbeitungseinheit so zeitgleich wie möglich erfaßt wird und anschließend aus diesen beiden Einzelinformationen ein Meßpunkt im ortsfesten Koordinatensystem berechnet wird.
  • Damit bei einem bekannten Verfahren tatsächlich die Informationen von Sensor und KMG vom selben Zeitpunkt stammen, müssen die Zeiten für die Meßwertgewinnung, -verarbeitung und -übertragung für Sensor und KMG gleich groß sein, damit die zeitsynchrone Verknüpfung der Ergebnisse auch einem gleichen Meßzeitpunkt entspricht. Andernfalls würde die Information des Sensors mit einer Position des Sensors verknüpft, die er zum Zeitpunkt der Informationsgewinnung gar nicht innehatte und dies würde mit Ausnahme von einigen Sonderfällen zu einer falschen Berechnung der Meßpunkte führten. Es sind zwar Systeme bekannt, die bei ungleicher, aber jeweils konstanter Signallaufzeit eine Korrektur durch eine Verzögerungsstrecke der schnelleren Information bevorzugt durch einen Ringpuffer vornehmen, diese sind aber störanfällig, weil die Annahme konstanter Signallaufzeiten insbesondere bei optischen Sensoren mit komplexer Signalverarbeitung nicht zu gewährleisten ist und auch die Signalübertragungszeit bis an den Punkt der Signalverarbeitungseinheit, an dem beide Informationen gleichzeitig erfaßt werden, im Allgemeinen nicht konstant ist. Das gilt vor allem, wenn die Signalverarbeitungseinheit ein komplexes Multitasking- Betriebssystem, wie z.B. Windows NT, benutzt.
  • Weiterhin setzen solche Systeme voraus, daß die Meßdatenrate von Sensor und KMG gleich ist, d.h. jeweils ein Ergebnis vom Sensor mit einem Ergebnis vom KMG verknüpft wird.
  • Es sind ferner Verfahren bekannt, bei denen der Zeitpunkt der Messung durch ein elektrisches Signal (Trigger) sowohl für das KMG als auch für den Sensor bestimmt wird.
  • Die US-Patentschrift US 4,882,848 beispielsweise zeigt einen messenden Sensor in Form eines messenden Tastkopfes, der sowohl wie ein messender Tastkopf betrieben werden kann, als auch wie ein schaltender Tastkopf betrieben werden kann. In einem Betriebsmodus, in dem der Tastkopf als messender Tastkopf betrieben wird, werden regelmäßig Triggersignale bereitgestellt, die zu einem Auslesen der aktuellen Maßstäbe des Koordinatenmessgerätes führen, die die Tastkopfposition repräsentieren, als auch gleichzeitig zu einem Auslesen der aktuellen Maßstäbe im Tastkopf führen, die die Taststiftposition des Taststiftes relativ zum Tastkopf repräsentieren. Aus den jeweiligen Tastkopfpositionen und den Taststiftpositionen werden dann Messwerte ermittelt.
  • Alle KMG, die für den Betrieb mit einem schaltenden Taster ausgelegt sind, erlauben diese Funktion, indem das Triggersignal wie ein Signal von einem schaltenden Taster behandelt wird. Die einsetzbaren Sensoren müssen ebenfalls eine Möglichkeit zur Synchronisation ausweisen. Dies kann sowohl ein Trigger-Eingang zur exakten Bestimmung des Meßzeitpunktes als auch ein Ausgangssignal (SYNC), das den exakten Meßzeitpunkt anzeigt, sein. Im ersten Fall muß ein Meßdatenerfassungssystem eine Triggerquelle enthalten, im zweiten Fall würde der Sensor selbst als Triggerquelle fungieren.
  • Die Signalverarbeitungseinheit bekannter Verfahren stellt sicher, daß genau ein Meßergebnis vom Sensor und KMG je Trigger weiterverarbeitet wird.
  • Im Gegensatz zu bekannten Verfahren ohne Triggersignal, wirkt sich eine unterschiedliche Signallaufzeit nicht mehr aus, da in der Signalverarbeitungseinheit die Gleichzeitigkeit der Messung durch die Folge der Ergebnisse und nicht mehr durch den Zeitpunkt der Erfassung der Ergebnisse bestimmt ist. Mit anderen Worten, das n-te Ergebnis nach einer Initialisierung vom KMG und das n-te Ergebnis nach einer Initialisierung vom Sensor stammen sicher vom gleichen Zeitpunkt, da sie vom gleichen Trigger ausgelöst wurden.
  • Hiervon ausgehend liegt unserer Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Bestimmung von Messpunkten der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem die Identifizierung, welches Ergebnis zum n-ten Trigger gehört, sicherer gemacht wird, und bei dem insbesondere eventuell auftretende Signalübertragungsfehler erkannt werden können. Aufgabe ist es außerdem eine entsprechende Messeinheit vorzuschlagen.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst, sowie durch eine Messeinheit gemäß dem unabhängigen Anspruch 5 gelöst.
  • Erfindungsgemäß sollen sowohl Sensoren als auch KMG in einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens neben ihrer sonstigen Information eine TAN-NR. (Transaction identifier) übertragen, die mit jedem Trigger erhöht wird und bei Überschreitung einer maximalen Zahl wieder zurückgesetzt wird. Dadurch kann bei der Verknüpfung der KMG- und Sensordaten auf einfachste Weise Synchronität überprüft werden bzw. Synchronisierung erreicht werden.
  • Da insbesondere berührungslose Sensoren wesentlich dynamischer sind als das KMG, sind unterschiedliche Meßdatenraten von Sensor und KMG sinnvoll und mit erfindungsgemäßem Verfahren möglich, bevorzugt wenn das Verhältnis der Meßdatenraten ganzzahlig ist. Für die Berechnung von Meßpunkten werden in diesem Fall die Ergebnisse der KMG nach bekannten Verfahren interpoliert, so daß nach der Interpolation gleich viele Informationen vom
  • KMG und vom Sensor vorliegen und wie bei gleicher Meßdatenrate weiterverarbeitet werden können.
  • In einer bevorzugten Variante weist mindestens der Sensor, möglichst aber auch das KMG, einen FIFO Ausgabespeicher auf, der sicherstellt, daß auch unter nicht echtzeitfähigen Betriebssystemen (wie z.B. Windows NT) eine vollständige und eineindeutige Übertragung jeder einzelnen Information je Trigger sichergestellt ist. Insbesondere für die bei berührungslosen Sensoren möglichen hohen Datenraten wird dadurch verhindert, daß die Signalverarbeitungseinheit durch Belastungen mit anderen Aufgaben, die Signalübertragung nicht innerhalb der durch die Meßdatenrate vorgegebenen Zeit bearbeiten kann und damit einzelne Informationen gar nicht zur Weiterverarbeitung gelangen.
  • Der FIFO Ausgabespeicher insbesondere in Kombination mit der TAN-NR. erlaubt zum einen im Vergleich zu heutigen Lösungen sehr störsicheren Betrieb, zum anderen erlaubt er, die Informationen von Sensor oder KMG statt einzeln je Trigger in wählbaren Blockgrößen für mehrere Trigger zu übertragen, was die Belastung der Signalverarbeitungseinheit durch die Datenübertragung signifikant vermindert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt daher ohne signifikante Erhöhung des Aufwandes an heute üblichen KMG eine wesentliche Steigerung der Meßdatenrate bei gleichzeitiger Erhöhung der Störsicherheit und Verminderung der Belastung der Signalverarbeitungseinheit.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Bestimmung von Messpunkten auf einem Werkstück mittels eines Koordinatenmeßgerätes mit einem messenden Sensor, wobei
    - das Koordinatenmessgerät Messdaten mit einer ersten Messdatenrate erzeugt, und wobei ein Messzeitpunkt zur Messung eines Messergebnisses des Koordinatenmessgerätes durch ein erstes Triggersignal bestimmt wird
    - der messende Sensor Messdaten mit einer zweiten Messdatenrate erzeugt, und ein Messzeitpunkt zur Messung eines Messergebnisses des messenden Sensors durch ein zweites Triggersignal bestimmt wird
    - wobei das erste Triggersignal und das zweite Triggersignal in bekannter zeitlicher Relation stehen und wobei die bekannte zeitliche Relation Gleichheit ist und das erste Triggersignal und das zweite Triggersignal ein gemeinsames elektrisches Triggersignal ist
    - dadurch gekennzeichnet, dass jedem Messergebnis ein zyklisch eindeutiger Identifikator zugefügt wird, der bis zu einer maximalen Anzahl an Messergebnissen eindeutig ist und sich nach überschreiten der maximalen Anzahl wiederholt, wobei der zyklisch eindeutige Identifikator eine TAN-Nummer ist, die nach einer Initialisierung vom Koordinatenmessgerät und vom messenden Sensor mit jedem elektrischen Triggersignal erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Koordinatenmessgerät und/oder der Sensor
    - das Messergebnis an eine Signalverarbeitungseinheit übertragen oder
    - das Messergebnis einer Signalverarbeitungseinheit zumindest zur Verfügung stellen und diese durch ein bevorzugt elektrisches Signal über das Vorliegen eines neuen Messergebnisses informieren.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Koordinatenmessgerät und/oder der messende Sensor die Folge von Messergebnissen speichern und die Folge von Messergebnissen nachfolgend in exakt der zeitlichen Reihenfolge der Messergebniserzeugung
    - an eine Signalverarbeitungseinrichtung übertragen werden oder
    - einer Signalverarbeitungseinheit zur Verfügung gestellt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Messergebnisse des Koordinatenmessgerätes und/oder die Messergebnisse des messenden Sensors blockweise zu mehreren Messungen zusammengefasst
    - an eine Signalverarbeitungseinrichtung übertragen werden oder
    - zumindest einer Signalverarbeitungseinheit zur Verfügung gestellt werden
  5. Messeinheit zur Bestimmung von Messpunkten auf einem Werkstück die ein Koordinatenmessgerät und einen messenden Sensor aufweist, wobei die Messeinheit Mittel aufweist um folgendes Verfahren durchzuführen:
    - das Koordinatenmessgerät erzeugt Messdaten mit einer ersten Messdatenrate , wobei ein Messzeitpunkt zur Messung eines Messergebnisses des Koordinatenmessgerätes durch ein erstes Triggersignal bestimmt wird
    - der messende Sensor erzeugt Messdaten mit einer zweiten Messdatenrate, und ein Messzeitpunkt zur Messung eines Messergebnisses des messenden Sensors wird durch ein zweites Triggersignal bestimmt
    - das erste Triggersignal und das zweite Triggersignal stehen in bekannter zeitlicher Relation, wobei die bekannte zeitliche Relation Gleichheit ist und das erste Triggersignal und das zweite Triggersignal ein gemeinsames elektrisches Triggersignal ist
    - dadurch gekennzeichnet, dass jedem Messergebnis ein zyklisch eindeutiger Identifikator zugefügt wird, der bis zu einer maximalen Anzahl an Messergebnissen eindeutig ist und sich nach überschreiten der maximalen Anzahl wiederholt, wobei der zyklisch eindeutige Identifikator eine TAN-Nummer ist, die nach einer Initialisierung vom Koordinatenmessgerät und vom messenden Sensor mit jedem elektrischen Triggersignal erhöht wird.
  6. Messeinheit nach Anspruch 5, wobei Mittel vorhanden sind, um ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 auszuführen.
EP00988550.0A 1999-10-22 2000-10-20 Messdatenerfassung auf koordinatenmess- und digitalisiermaschinen Expired - Lifetime EP1261894B1 (de)

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DE19950869 1999-10-22
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